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摘要：為進一步分析總結纖維增強塑料（FRP）在土木工程領域，尤其是橋梁工程中的發展與應用情況，在闡述frp材料基本組成及性能特點的基礎上，總結了FRP材料的應用形式，包括FRP片材、FRP棒材以及FRP型材等。綜述了FRP材料三種應用形式在橋梁結構加固、豎向受力構件、勁性結構、預應力筋以及橋面板等方面的發展與應用現狀，并指出了FRP材料目前存在的缺陷以及未來發展的主要方向。相關總結和分析可為FRP這種輕質高強、抗腐蝕、耐久性好的新型復合材料在橋梁工程中的進一步發展提供理論參考。
關鍵詞：纖維增強塑料；復合材料；橋梁工程；應用現狀；發展前景
目前，在橋梁工程領域，鋼筋混凝土或預應力混凝土是當前橋體的基本結構形式，其中因鋼筋銹蝕而引起的結構退化或功能缺陷等問題是影響橋梁服役年限的重要因素。針對該問題，FRP材料（纖維增強復合材料）在橋梁工程中得到了成功應用并成為解決鋼筋銹蝕問題的一種有效措施[1-2]。自20世紀40年代問世以來，FRP材料便在各個領域得到了迅速發展，如航空、醫療、車輛以及造船等行業。而在土木與建筑工程領域，憑借其輕質、高強以及耐久性優異等特性，FRP材料也于七八十年代開始得到初步應用，且深受業內人員的青睞，主要包括碳纖維(CF)、玻璃纖維(GF)及芳綸纖維(AF)復合材料等。當前，FRP材料的自身加工工藝日趨成熟，而國內公路、鐵路等建設項目規模仍持續增長，因此FRP材料在工程建設領域的應用潛力巨大，研究FRP材料在橋梁工程中的應用現狀具有重要現實意義。
1FRP復合材料及其特點
1.1FRP的組成
FRP是傳統纖維和樹脂融合的產物，兩者共同決定了FRP材料的各項性能。其中，纖維具有加強功能，能有效分擔受力，如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等。樹脂主要用于包裹纖維使之形成整體，起到傳力以及黏結的功能，并保護纖維不受機械損傷與化學侵蝕。另外，樹脂中可適當加入一定的添加劑，以改善性能。
1.2FRP的性能特點
（1）物理性質。FRP材料的密度較低，僅為常規鋼筋的1/5左右，其熱膨脹系數呈現各向異性，橫縱向的性能區別取決于纖維和樹脂的種類及比例。（2）力學性能。纖維與樹脂類別及摻加量的不同造成了FRP材料的力學性能差異。FRP材料僅由單一纖維構成時，其沿順纖維方向的抗拉強度更大，且呈現線彈性變化趨勢，且其抗壓能力普遍不如抗拉性能，如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維的抗壓強度，分別僅為各自抗拉強度的約4/5、1/2、1/5[3]。（3）持時特性。在長期的受力條件下，FRP材料經受較長時間作用后將引起破壞，即發生徐變斷裂，其中玻璃纖維對此最為敏感。當FRP材料受力中長度維持固定時，其應力將不斷變小，即發生應力松弛，其中芳綸纖維的松弛率最大。另外，FRP材料中的纖維能進行內力再分配，更好地承擔拉應力，故抗疲勞性能較強，其中碳纖維與芳綸纖維的抗疲勞性能均已超過高強鋼絲，但高溫高濕環境將不利于FRP材料性能的發揮[4]。（4）耐久性能。一般而言，作為非金屬材料，FRP材料適用于酸堿等各種復雜環境條件，較傳統鋼筋的耐腐蝕能力更強，可視情況用于鋼筋替換作業。但不同的腐蝕環境也會一定幅度影響不同FRP材料的性能，如相比碳纖維與芳綸纖維，玻璃纖維的耐酸堿性能相對較弱，而芳綸纖維對紫外線或潮濕條件更敏感等。
2FRP復合材料的應用形式
（1）FRP片材。FRP片材一般指復合布或復合板。復合布大多為單向纖維組成，應用時可直接以樹脂浸潤后進行粘貼。復合板一般先由工廠進行樹脂浸潤以及固化定型等工序，施工時再粘貼樹脂。（2）FRP棒材。FRP棒材一般指復合索和復合筋。復合索包括絞線型與發辮型，由長纖維單向編織成索狀，經由樹脂浸潤形成整體。復合筋是將纖維絲浸潤后經拉擠工序制得，纖維摻量越大，拉擠工序越難開展，但所得復合筋的強度將越大。實踐中，復合筋中的纖維摻量一般為63%左右。（3）FRP型材。FRP型材分為格柵、管狀、蜂窩等。FRP格柵中纖維垂直交織，經由樹脂浸潤形成整體。FRP管是先將纖維絲浸潤樹脂，再遵循相應的方式纏裹至襯膽外面，靜置固化成型。FRP蜂窩板包括上下兩側復合板與中間的夾心材料，其構造上充分借助復合板的強度優勢，具備優異的力學性能。
3FRP復合材料在橋梁工程中的應用
3.1FRP片材的應用
FRP片材在混凝土結構加固中應用廣泛[5]，其中碳纖維復合片材的抗拉強度較高，常見于橋梁結構加固領域。相比以往的常規加固方法，FRP片材加固施工較為便捷，加固效果顯著，能有效增強構件的承載能力，且不增加額外的自重與截面面積，同時能適應不同的加固環境。在實際應用中，FRP片材在加固時可針對受彎、受剪及抗震等不同工況。
3.1.1受彎加固
在構件受彎工況下，利用FRP片材進行加固，能借助FRP材料的抗拉能力增強承載力，復合布或復合板均可采用，施工時片材宜與構件軸向相同。采用FRP片材開展加固時，其設計機制仍為極限法，即極限工況下的應力按照線彈性關系而定，而應變則取構件在極限工況時的相應數值。結構所受載荷應在纖維片材加固前除去，如無法完全卸載，則應考慮二次受力效應。另外，為充分利用FRP片材的高強性能，可對片材施加一定的預應力后再實施結構加固，從而更有效地降低構件變形撓度，進一步緩解裂縫的發生與發展。
3.1.2受剪加固
梁體構件受剪時易產生裂縫，而將FRP片材布設于梁的側面，可有效提升構件承載力，并使構件剛度得到強化。應用中FRP片材應垂直于構件軸向進行布設，具體可采取封閉式、U形或側面式等粘貼方案。將FRP片材用于構件抗剪加固時，其實施效果取決于加固方式、錨固方案、片材用量以及纖維取向等，構件加固后最終的破壞形式包括斜拉、彎曲、剝離或片材拉斷等，實踐中大多為幾種破壞模式的組合。3.1.3抗震加固FRP片材用于抗震主要是對柱進行環向加固，恢復受損位置的承載力，提升抗震強度，片材應當對柱的箍筋加密區進行連續粘貼。借助復合布約束混凝土的環向變位屬于一種被動式加固，即當混凝土軸向壓力增大，橫向膨脹力將使得外包FRP材料發生一定程度的外伸，使之產生徑向的收縮力，其環向約束效果受柱結構膨脹特點以及外包復合布的環向剛度影響。在FRP復合布約束柱構件過程中，其受力過程主要如下：初始階段，混凝土發生線彈性變形，外包復合布變形較少，應力約束值低；當柱變形趨于顯著時，外包復合布的環向應變變大，繼而產生較大的環向約束力，達到提升柱構件強度、增加延性變形的目的。
3.2FRP棒材的應用
3.2.1RC結構增強筋
由于FRP材料的抗腐蝕性能優于普通鋼筋，因此在某些環境惡劣的條件下，可考慮采用FRP復合筋替代傳統的鋼筋，從而保證RC（鋼筋混凝土）結構的耐久性，如在鋼筋混凝土梁或橋面板中，將FRP筋作為主要受力筋進行配置，可提升服役年限。但FRP筋彈性模量較小，且其與混凝土之間的粘結性不同于傳統鋼筋，因此FRP筋混凝土結構的承載性能較之普通RC結構存在差異。相關研究表明[6]，FRP筋混凝土的裂縫發生規律、應力傳遞模式以及極限承載力等均與傳統RC結構不同。具體而言，FRP筋混凝土梁可能發生兩種脆性破壞模式，分別為混凝土受壓破壞以及FRP筋拉斷破壞，其中混凝土受壓破壞的延性優于后者。在極限承載力計算方面，FRP筋混凝土梁與傳統RC梁差別不大，但其主要影響因素為裂縫寬度與撓度，因此應當將更多的FRP筋布設于受拉部位。
3.2.2PC結構預應力筋
FRP筋具備高強的性能，將其施加一定的預應力不但能充分發揮其力學特性，而且可實現FRP筋混凝土梁抗裂能力的提升。目前，FRP預應力筋在實踐中可用于PC（預應力混凝土）構件體內或體外。FRP筋的抗壓與抗剪性能稍差，因此施加預應力時，其錨固性能將成為關鍵一環。當下錨具形式較為多樣化，基于受力原理主要分為機械夾持型與黏結型，并形成相應的錨固體系，但總體而言，FRP筋預應力錨固工藝還處于初級階段，遠不如傳統預應力鋼筋錨固工藝的成熟度。FRP筋彈性模量較低，其發生破壞時沒有顯著的塑性變化特點，故在受力特性上，FRP筋預應力混凝土結構與傳統PC結構具有較大的不同。當FRP筋用于構件體內時，結構梁的受力特性存在三種可能的過程：最大應力大于混凝土抗壓強度，混凝土受壓破壞；最大應力小于等于混凝土抗壓強度，FRP筋受拉斷裂，此時混凝土處于塑性變形，結構梁的受彎承載能力應根據等效應力塊進行分析；最大應力遠小于混凝土抗壓強度，此時梁的配筋率低，破壞時混凝土應力處于線性發展階段，此時結構梁的受彎承載能力應根據工作應力分析[7]。FRP筋的抗腐蝕性能突出，因此作為體外預應力筋或無粘結預應力筋時，FRP預應力結構的應用潛力巨大。相關研究指出，在受力特性方面，無粘結FRP預應力混凝土梁與預應力鋼筋混凝土梁，以及體外預應力FRP筋混凝土梁與體外預應力鋼筋混凝土梁，均呈現類同的發展特點，故計算方式也類同，其最為重要的是需要對無粘結預應力筋或者體外預應力筋的極限應力進行明確。FRP筋在發生破壞時沒有顯著的塑性變化特點，延性較差，不利于結構的安全應用。基于此，實踐中較多專家提出了改進措施，例如使用混雜FRP筋（此類混雜筋屈服點明確、極限應變取值較大）、局部結構中應用FRP預應力或者體內外預應力筋結合等方法。
3.2.3纜索承重橋的受力構件
對于懸索橋、斜拉橋、系桿拱橋等纜索承重橋而言，其中的主要豎向受力構件大多設置于結構外部，且所處環境惡劣，并持久承受高應力，對傳統鋼筋提出較大的挑戰。而FRP筋具備顯著的耐久性與抗疲勞性，且比強度是傳統高強鋼絲的5倍，因此替代傳統鋼筋作為主纜、斜拉索或吊桿等部件，將有效規避上述缺陷，并提升橋體跨越及承載能力[8]。例如，懸索橋傳統鋼主纜跨越極限約為5km，而應用碳纖維復合材料主纜將能使跨徑增至10km；斜拉橋的極限跨徑目前水平向投影約為1.2km，而應用碳纖維復合材料斜拉索將能使跨徑增至3.8km；同樣，受銹蝕與疲勞等影響，系桿拱橋中的吊桿服役年限一般設計為20年，而碳纖維復合材料吊桿憑借優異的耐腐蝕性能，可極大提升系桿拱橋的使用壽命。
3.3FRP型材的應用
3.3.1FRP格柵
在室外較為惡劣的環境工況中，橋面板時常發生結冰現象，影響通行安全。為化解橋面冰塊，目前大多應用化冰鹽，但這易引起橋面板中的鋼筋網片發生銹蝕，故將由樹脂浸潤形成整體的FRP格柵進行替代，可避免銹蝕發生，延長不利環境下橋面板的使用壽命。
3.3.2FRP蜂窩板
橋面板中的鋼筋銹蝕較為普遍，除采用FRP格柵替代外，也可直接運用FRP橋面板[9]。FRP橋面板的應用形式主要為蜂窩板，其特點有：具有優異的抗腐蝕和耐久性，在海洋、鹽堿侵蝕等惡劣的環境中能保證使用功能，維修養護成本低；自重較輕，能減少對橋梁墩柱的荷載作用，利于保證安全；屬于彈性材質，抗疲勞性能強，在橋面通行車輛超載的情況下也不致于發生脆性破壞，且能在變形后恢復初始狀況，不會造成后續使用的困擾。
3.3.3FRP管
將混凝土灌注于FRP管中，即可形成FRP管混凝土組合結構[10]，該種結構耐久性優異，且其中的FRP管可直接作為模板使用，在不便于支模的結構施工中應用廣泛。FRP管混凝土組合結構比傳統鋼管混凝土的隔聲隔熱性能更佳，既擁有FRP材料的特殊性能，同時也兼備混凝土材料的抗壓能力與低成本優勢。FRP管混凝土組合結構在經過科學設計與合理組合后，擁有十分優異的力學特性，目前很多發達國家均對其受力性能、纖維類別、構造形式以及纏繞方向等進行了深入研究，如為增強FRP管的局部穩定能力，可在管內設置一定間距的FRP肋等。
4結語
FRP材料的輕質高強、抗腐蝕、耐久性優良等特性能滿足橋梁工程建設的大多數要求，在橋梁建設領域中的應用潛力巨大。但FRP材料的彈性模量較低，抗剪能力和延性均比傳統鋼筋更差，因此在橋梁工程的實際應用中仍有較多缺陷需要克服。另外，相關研究者雖然對FRP材料進行了大量研究與實踐應用嘗試，取得了較多的發展成果，但在FRP材料的生產成本、生產標準以及應用規范等方面仍需進一步完善，這是未來FRP材料在橋梁工程應用中需要突破的重點方向。
作者：蔣以華 單位：南寧市建筑規劃設計集團有限公司